Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Longtemps considéré comme une structure stable hautement optimisée, le génome des procaryotes nous apparaît, au regard de récentes découvertes, comme extrêmement changeant au cours du temps. Chez certaines bactéries, les gènes acquis récemment d'espèces distantes par transmission horizontale sont estimés à plus de 15 % du génome et les phylogénies construites à partir de différents gènes présentent fréquemment des incongruences importantes. De ce point de vue, la cohérence interne des génomes et la durabilité des interactions entre gènes au cours des temps évolutifs sont mises en question. Certains auteurs proposent que les transferts horizontaux se produisent à une fréquence telle que le concept même d'histoire des espèces ne s'applique pas aux procaryotes. Cependant, il a été suggéré que certaines catégories de gènes pouvaient être plus ou moins sensibles au transfert. Nous avons testé cette hypothèse au moyen de méthodes phylogénétiques et tenté de reconstruire une phylogénie des procaryotes en utilisant les génomes complets. Les résultats suggèrent que certains gènes conservent une information congruente sur l'histoire des bactéries et que la combinaison de ces informations peut permettre de reconstruire une phylogénie des bactéries. La nature des gènes détectés comme ayant été acquis récemment pose également problème. En effet, plusieurs auteurs ont remarqué que ces gènes avaient tendance à être enrichis en nucléotides A et T en comparaison du reste du génome. Nous avons analysé la structuration en nucléotides de nombreux génomes complets et montré que certaines caractéristiques intrinsèques aux génomes pourraient, dans certains cas, conduire à une surestimation de la quantité de gènes acquis par transferts horizontaux. Si d'un point de vue qualitatif, l'importance des transferts horizontaux dans l'évolution des procaryotes a été amplement démontrée, nous pensons qu'elle a été surestimée du point de vue quantitatif du fait de problèmes méthodologiques. Détectés par une méthode phylogénétique, les gènes récemment acquis montrent des caractéristiques qui les rapprochent de séquences parasites (phages notamment) ou non fonctionnelles, suggérant que certaines catégories de gènes pourraient être « spécialisées » dans le transfert horizontal.

Cette thèse porte sur des expériences d'évolution de bactéries, avec le but d'explorer expérimentalement comment des transferts horizontaux d'ADN au sein d'une population de bactéries peuvent ou non modifier l'évolution de cette population. La méthode utilisée pour permettre des échanges d'ADN à l'intérieur de la population repose sur la propriété de transformation naturelle de la bactérie Acinetobacter baylyi. Une expérience pilote sans brassage de génomes a été faite sur 3000 générations et nous avons analysé par séquençage les mutations et la diversité apparues pendant cette expérience. On observe une structure en multiples sous-populations compatible avec un régime d'interférence clonale. Une expérience d'évolution avec échange d'ADN ainsi qu'une expérience contrôle avec une bactérie non compétente ont été réalisées dans les mêmes conditions sur 1300 générations. Des séquençages de génomes ont été effectués sur des populations et des clones à différents temps de chaque expérience d'évolution afin de mettre en évidence les mutations apparues ainsi que leur fréquence dans la population. La diversité dans l'expérience d'évolution avec brassage est nettement plus élevée jusqu'à 970 générations et est due à différents types de mutations alors que dans l'expérience sans brassage, la diversité est essentiellement due à des SNP. Cependant dans l'expérience avec brassage, on observe à 1300 générations une baisse de la diversité qui est liée à la fixation d'une mutation dans un gène essentiel pour la transformation. Ces résultats préliminaires laissent penser que le brassage a un avantage à court terme mais qu'à long terme l'avantage lié à l'échange s'amenuise

Les séquences d'ADN peuvent être considérées comme des textes écrits dans un alphabet de 4 lettres. Des techniques inspirées de l'analyse textuelle permettent donc de les caractériser, entre autres à partir de fréquences d'apparition de courtes suites de caractères (les oligonucléotides ou mots). L'ensemble des fréquences des mots d'une longueur donnée est appelé « signature génomique » (cet ensemble est spécifique de l'espèce, ce qui justifie le terme de « signature »). La signature d'espèce est observable sur la plupart des courts fragments d'ADN, ce qui donne à penser qu'elle résulte d'un « style d'écriture ». De plus, la proximité entre espèces du point de vue de la signature génomique correspond bien souvent à une proximité en terme taxonomique. Pourtant, l'analyse des signatures génomiques se confronte rapidement à des limitations dues à la malédiction de la dimension. En effet, les données de grande dimension (la signature génomique a généralement 256 dimensions) montrent des propriétés qui mettent en défaut l'intuition. Par exemple, le phénomène de concentration des distances euclidiennes est bien connu.<br />Partant de ces constatations, nous avons mis en place des procédures d'évaluation des distances entre signatures de façon à rendre plus manifeste les informations biologiques sur lesquelles s'appuient nos analyses. Une méthode de projection non-linéaire des voisinages y est associée ce qui permet de s'affranchir des problèmes de grande dimension et de visualiser l'espace occupé par les données. L'analyse des relations entre les signatures pose le problème de la contribution de chaque variable (les mots) à la distance entre les signatures. Un Z-score original basé sur la variation de la fréquence des mots le long des génomes a permis de quantifier ces contributions. L'étude des variations de l'ensemble des fréquences le long d'un génomes permet d'extraire des segments originaux. Une méthode basée sur l'analyse du signal permet d'ailleurs de segmenter précisément ces zones originales.<br />Grâce à cet ensemble de méthodes, nous proposons des résultats biologiques. En particulier, nous mettons en évidence une organisation de l'espace des signatures génomiques cohérente avec la taxonomie des espèces. De plus, nous constatons la présence d'une syntaxe de l'ADN : il existe des « mots à caractère syntaxique » et des « mots à caractère sémantique », la signature s'appuyant surtout sur les mots à caractère syntaxique. Enfin, l'analyse des signatures le long du génome permet une détection et une segmentation précise des ARN et de probables transferts horizontaux. Une convergence du style des transferts horizontaux vers la signature de l'hôte a d'ailleurs pu être observée.<br />Des résultats variés ont été obtenus par analyse des signatures. Ainsi, la simplicité d'utilisation et la rapidité de l'analyse des séquences par signatures en font un outil puissant pour extraire de l'information biologique à partir des génomes.

Les éléments transposable (ET) sont des séquences d'ADN qui ont la capacité de se déplacer au sein des génomes. Pour contrebalancer les effets négatifs liés à l'activité des ET, il existe chez leurs hôtes des mécanismes régulant l'activité de transposition. Une fois qu'un ET est régulé, l'accumulation progressive de mutations dans sa séquence conduit fatalement à la perte définitive de son activité de transposition. J'ai cherché au cours de cette thèse à mieux comprendre le succès et le maintien de ces séquences répétées, avec d'une part l'étude des transferts horizontaux (TH) d'ET, un moyen d'échapper aux mécanismes de régulation , et d'autre part l'étude de leur régulation. Dans la première partie de ma thèse, je me suis intéressé à l'étude des TH entre deux espèces proches de drosophiles. Dans cette étude, j'ai développé une nouvelle méthode bioinformatique permettant la détection de séquences transférées horizontalement entre deux génomes eucaryotes qui m'a permis détecter de nombreux TH d'ET. Ce travail m'a aussi conduit à développé une nouvelle méthode de contrôle du taux de faux positifs moyen applicable aux tests multiples unilatéraux. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai étudié la régulation des ET par la voie des petits ARN, un mécanisme de l'ARN interférence. Dans cette étude, j'ai analysé des données de séquençage de petits ARN, ainsi que d'ARN totaux issues de différentes populations de D. simulans. Ce travail a conduit au développement d'un pipeline d'analyse permettant d'étudier des différences d'expression entre des séquences répétées ainsi que d'une nouvelle procédure de contrôle qualité de ce type de donnée / Transposable elements (TEs) are repeated DNA sequences that are able to move (transpose) within their host genome. To counteract the negative effects of their TEs, regulation mechanisms of the TE transposition are present in the host genome. Once a TE is regulated, the progressive accumulation of mutations in its sequence will inevitably lead to the definitive loss of its transposition capacity. My work during this thesis is was to better understand the succss and the maintaining of these peculiar repeated sequencest, with the study of horizontal transfers (HTs) of TEs enabling them to escape host regulation mechanisms, and the study of this regulation. The first part of my thesis concerns the study of HTs between two closely related drosophila species. I have developed a new bioinformatic method for the detection of HTs between two eukaryotic genomes. The development of this method brought me to work on the unilateral multiple testing problematic for which I have developed a new procedure to control the expected false discovery rate (FDR). The second part of my thesis focuses on the regulation of TEs by the small RNA pathway, an RNA interference mechanism. For this study, I have analyzed sequencing data of small RNAs and total RNAs. For this work, I have developed an analysis pipeline, to study differences of expression between repeated sequences. Some features of the small RNA dataset required the development of a new procedure to parse them. This procedure was extended and implemented in a software to be used for the quality control of next generation sequencing data

Sous des conditions de croissance particulières, certaines bactéries sont capables d'entrer en état de « compétence » pour la transformation naturelle, c'est-à-dire d'exprimer un ensemble de gènes nécessaires à la mise en place d'un système d'import d'ADN exogène dont l'intégration conduit à une transformation génétique et phénotypique. C'est le cas de Legionella pneumophila, bactérie environnementale et agent étiologique de la légionellose. La transformation naturelle a potentiellement participé à l'évolution du génôme de L. pneumophila.Ainsi, l'objectif premier de cette thèse était de décrire les composants principaux du système de transformation naturelle de L. pneumophila, ainsi que son activation et rôle potentiel dans la relation de la bactérie avec ses hôtes. Des méthodes d'analyse transcriptomique et de mutagénèse dirigée ont permis d'identifier les principaux gènes impliqués dans la mise en place du système de transformation naturelle qui, de façon cohérente avec un rôle adaptatif, ne semble pas impliqué dans la virulence bactérienne. Le système inclut un pilus de transformation, structure fréquemment observée chez les espèces naturellement transformables. Le rôle de la protéine structurale MreB dans le mécanisme de transformation naturelle a également été étudié. En proposant un premier modèle du système de transformation naturelle de L. pneumophila, ces travaux ouvrent la voie à une analyse plus détaillée de la dynamique du système et, plus généralement, à une meilleure compréhension des mécanismes de la transformation naturelle chez les bactéries Gram-négatives / Under certain growth conditions, some bacteria are able to develop a « competence » state for natural transformation, that is, to express a panel of genes involved in the assembly of a DNA uptake system that allows bacteria to take up and recombine free exogenous DNA, leading to a genetic and phenotypic transformation. Natural transformation may have played a role in the evolution of the L. pneumophila genome.Thus, the main objective of this work was to describe the main components of the L. pneumophila DNA uptake system and to investigate its role regarding the host-pathogen interaction. Transcriptomic analysis and directed mutagenesis permitted to identify the main components of the system which is not involved in bacterial virulence. The system include a transformation pilus that is a structure frequently found in transformable species. The role of the structural protein MreB has also been investigated.By describing a first model of the natural transformation system of L. pneumophila, this work paves the way to a deeper analysis of the system dynamics and, more generally, to a better understanding of natural transformation in Gram-negative species

Certains symbiotes intracellulaires résident dans le cytoplasme des cellules et manipulent le système reproductif de leurs hôtes. Du fait de leur transmission maternelle, ces parasites sont sélectionnés pour optimiser la survie et la reproduction de leurs hôtes femelles. Chez les arthropodes, la bactérie Wolbachia infecte au moins 66% des espèces d’insectes mais peuvent aussi infecter des nématodes. Cette large distribution dans les populations hôtes confère à Wolbachia un potentiel important en tant que moteur d’évolution. En particulier, elle pourrait être utilisée comme vecteur transgène dans les espèces nuisibles. Mais la dynamique évolutive des infections à l’échelle des communautés est mal connue, en particulier la fréquence des transferts de parasites entre hôtes de différentes espèces et la stabilité évolutive des associations. Mon travail de thèse a porté sur la détection et dynamique des infections de Wolbachia à une échelle micro-évolutive, c’est-à-dire, dans des communautés d’arthropodes avec moins de 5 My. L’objectif de ce travail était à la fois la caractérisation des communautés géographiques d’arthropodes et celle des infections par Wolbachia de ces communautés. Nous avons également examiné l’existence de transferts horizontaux récents de ces symbiotes entre des taxa distantes ainsi que les routes écologiques potentielles pour ces transmissions / Sexual parasites are intracellular symbionts capable of manipulating the reproduction of their hosts. They are widespread in Arthropods where they display a wide range of reproductive manipulations; these can be potentially involved in the evolution of mating systems, speciation, gene acquisition and sex determination. In particular, Wolbachia is thought to infect more than 66% of insect species and is also found in nematodes. However, little is known about the dynamics of Wolbachia infections at the community level. Although at the intra-population level, invasion dynamics have been extensively studied, the same is not true at the community level where the turnover of infections remains largely uncharacterised. The question of how often are new infections acquired through horizontal transfers between distantly related hosts remains also open. Moreover, as Wolbachia is seen as a good candidate for a transgenic vector against pests, understanding its dynamic at the community level is crucial. We proposed to address them by performing an exhaustive characterisation of sexual parasites in simplified systems, using the opportunity offered by small arthropod communities in isolated islands

L’utilisation massive des antibiotiques, depuis les années 50, génère une libération importante de ces molécules dans l’environnement (excrétion via les urines et les fèces) que l’on peut retrouver à des concentrations allant de 1 à 100 ng/L dans les eaux usées urbaines. Parce qu’elle réunit microorganismes résistants et antibiotiques, la station d’épuration d’eaux usées urbaines pourrait être une zone propice au transfert des gènes de résistance. Cependant, avec sa position stratégique à l’interface entre les activités humaines et l’environnement, la station d’épuration pourrait constituer un « rempart » contribuant à limiter leur dissémination dans l’environnement.Les paramètres qui influencent ces transferts dans les stations d’épuration sont encore mal connus, en particulier du fait de limitations méthodologiques. Aussi l’objectif de notre travail était de déterminer les facteurs environnementaux influant sur la stabilité et le transfert d’un élément génétique mobile modèle, le plasmide pB10, dans des communautés bactériennes (biomasses de stations d’épuration et sédiments de rivière) maintenues en microcosmes. Jusqu’à présent, les transferts de gènes de résistance ont été principalement étudiés avec des méthodes reposant sur la culture de microorganismes sur milieux sélectifs, dont nous savons aujourd’hui qu’elles sous-estiment les phénomènes observés. Aussi, nous avons élaboré une approche basée sur la PCR quantitative pour détecter la dissémination d’un ADN mobile modèle amené via une bactérie hôte E. coli DH5α. Les couples amorces/sondes très spécifiques ont pu être élaborés en tirant profit de la structure mosaïque du génome bactérien. L’approche proposée repose sur des mesures comparées du nombre de plasmide pB10 et de son hôte bactérien DH5α au cours du temps, où une augmentation du rapport (pB10/DH5α) implique une dissémination du plasmide vers les bactéries indigènes. Outre l’intérêt du développement méthodologique proposé, cette méthode a permis d’évaluer l’incidence de quelques paramètres environnementaux sur la dissémination d’un ADN au sein de communautés microbiennes complexes. Deux groupes de facteurs ont pu être distingués selon qu’ils influencent la persistance du plasmide pB10 dans les communautés dans son hôte initial (oxygénation/brassage, ajout d’antibiotiques en concentrations sub-inhibitrices comme l’amoxicilline et le sulfaméthoxazole fréquemment retrouvés en station d’épuration) ou/et qu’ils favorisent sa dissémination dans les communautés bactériennes (biofilms, sédiments). Sans induire de transferts génétiques, les antibiotiques testés, même en concentrations sub-létales, pourraient participer à la dissémination de gènes de résistance en favorisant leur persistance / The widespread use of antibiotics since the 50s, generates a significant release of these molecules in the environment (excretion via urine and feces) which can be found at concentrations ranging from 1-100 ng/L in wastewater. Due to the high microbial biomass and the abundance of nutrients, wastewater treatment plants (WWTP) represent a suitable habitat for horizontal gene transfer. Because they occupy a key position between human activities and the environment, WWTP may play a major role in limiting the dissemination of antibiotic resistance genes, therefore contributing to the preservation The parameters which influence these transfers in wastewater treatment plants are still poorly known, especially because of methodological limitations. Therefore the aim of our study was to identify environmental factors affecting the stability and transfer of a mobile genetic element model, the plasmid pB10 in bacterial communities (biomass from wastewater treatment plants and river sediments) maintained in microcosms. So far, the transfer of resistance genes have been studied mainly with methods based on the cultivation of microorganisms on selective media that we know now they underestimate the observed phenomena. Also, an approach based on quantitative PCR was developed for detecting the release of a mobile DNA template from the host bacterium E. coli DH5α. Couples of designed primers/probes were very specific and have been developed by taking advantage of the mosaic structure of the bacterial genome. The proposed approach is based on the over time measurements of the number of plasmids pB10 and its bacterial host DH5α, where an increased ratio (pB10/DH5α) implies a release of the plasmid to the indigenous bacteria. This method was used to assess the impact of some environmental parameters on the release of DNA in complex microbial communities. Two groups of factors could be distinguished according to whether they influence the persistence of plasmid pB10 in communities in microcosms (oxygenation / mixing, addition of antibiotics at sub-inhibitory concentrations as amoxicillin and sulfamethoxazole frequently found in treatment plant) and / or they favor his release in bacterial communities (biofilms, sediments). Without inducing genes transfers, the antibiotics tested, even at sub-lethal concentrations, could participate in the dissemination of resistance genes by facilitating their persistence